Композитные материалы

Моделирование и оптимизация конструкций на основе композитных материалов

Композиты — это гетерогенные материалы, в которых для улучшения механических свойств соединяют два или более различных компонентов. Модуль «Композитные материалы» является дополнением к модулю «Механика конструкций» и предоставляет инструменты и функциональные возможности для моделирования и анализа многослойных композитных структур. Многослойные композитные материалы, такие как армированный волокнами пластик, многослойные пластины и слоистые панели, широко применяются при производстве деталей самолетов, космических аппаратов, ветряных турбин, автомобильных деталей, в строительстве, при создании корпусов морских судов, велосипедов и защитного снаряжения.

При использовании модуля «Композитные материалы» использовать совместно с другими модулями программного обеспечения COMSOL® в расчётных моделях можно будет учесть процессы теплопередачи, электромагнетизма, гидродинамики и акустики — и все это можно сделать в единой среде для численного моделирования.

Связаться с COMSOL
Три лопасти ветряной турбины, демонстрирующие напряжения на поверхности (слева), нагрузку на лонжероны (в середине) и локальную систему координат для оболочки (справа).

Подходы к описанию и визуализации многослойных композитов

Анализ многослойных композитных оболочек полностью основывается на трёхмерной теории упругости или на теории эквивалентного слоя.

Модуль «Композитные материалы» использует специализированную технологию многослойных материалов и предлагает два подхода для точного моделирования композитных оболочек: теорию многослойных оболочек (в англ. layerwise theory) и теорию эквивалентного слоя (в англ. equivalent single layer theory). Многослойное моделирование подходит для толстых и умеренно тонких композитных оболочек с ограниченным числом слоёв. Теория эквивалентного слоя подходит для тонких и умеренно толстых оболочек и может вместить множество слоёв без значительного снижения производительности. Используя данные формулировки, вы сможете оптимизировать укладку и другие параметры композитных структур, в т.ч. в рамках мультифизических и мультимасштабных расчётов.

Что можно моделировать с помощью модуля «Композитные материалы»

Выполняйте различные виды прочностного анализа многослойных композитных материалов с программным обеспечением COMSOL®.

Крупный план модели элементарной ячейки с волокном и смолой.

Микромеханика/Макромеханика

Выполняйте расчёт осреднённых свойств материала и анализируйте макроскопическую реакцию композитного материала.

Крупный план модели многослойной оболочки, демонстрирующей коэффициент запаса прочности по критерию Хоффмана.

Послойный анализ прочности

Оценивайте конструкционную целостность многослойной композитной оболочки.

Крупный план потери устойчивости при продольном изгибе композитного цилиндра.

Линейный анализ устойчивости

Вычисляйте критические нагрузки при сжатии и закреплённых концах.

Крупный план различных значений усилий в многослойных оболочках.

Расслоение

Моделируйте возникновение и распространение расслоения в композитной пластине.

Напряжения и перемещения в модели металлического каркаса стены.

Нелинейные материалы1

Учитывайте модели нелинейных материалов в многослойном композите.

Крупный план модели композитного диска, демонстрирующего распределение напряжений.

Динамика многотельных систем2

Сочетайте композитные материалы с другими конструкционными элементами в многотельной системе.

Крупный план модели композитного материала, демонстрирующий начальную и оптимизированную структуры.

Оптимизация композита3

Оптимизируйте структуру композитов, толщину слоёв, направление волокон и свойства материалов.

  1. Дополнительно требуется модуль «Нелинейные материалы»
  2. Дополнительно требуется модуль «Динамика многотельных систем»
  3. Дополнительно требуется модуль «Оптимизация»

Специальные инструменты для задания и визуализации многослойных материалов

Модуль «Композитные материалы» предлагает набор специализированных инструментов для визуализации многослойных композитных материалов.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Layered Shell и моделью композитной панели в графическом окне.

Многослойное моделирование/Интерфейс Layered Shell

Интерфейс Layered Shell доступен при создании трёхмерных расчётных моделей. В нем реализован подход, основанный на теории многослойных оболочек, который позволяет проводить детальный анализ композитов. Материалы каждого отдельного слоя могут обладать нелинейными свойствами. Кроме того, интерфейс позволяет выбирать порядок дискретизации для поля перемещений в плоскости расчетной поверхности и по толщине многослойного материала. Результаты содержат полные трёхмерные распределения напряжений и деформаций, что позволяет рассчитывать напряжения между слоями и, к примеру, анализировать распределение напряжений в пределах каждого слоя.

Математическая модель, реализованная в этом физическом интерфейсе, подходит для описания толстых и относительно тонких композитных оболочек с ограниченным числом слоев.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Layered Linear Elastic Material и двумя графическими окнами.

Узел Layered Material

С помощью узла Layered Material можно описать структуру, в которой для каждого слоя заданы свои свойства материала, толщина и направление главных осей. Многослойные материалы, описанные таким образом, можно комбинировать с помощью узла Layered Material Stack для создания более сложных многослойных материалов, что особенно удобно, когда структура слоёв повторяется или когда моделируется удаление слоя. Кроме того, можно описать свойства материала на границе между слоями.

Крупный план раздела Layer Selection в окне настроек и два графических окна.

Соединение многослойных материалов

При соединении двух разных композитов вдоль боковых границ или при моделировании выпадения слоя в интерфейсе Layered Shell можно использовать узел Layered Material Stack вместе с узлом Continuity. Характеристики области соединения двух многослойных материалов можно задавать с помощью нескольких параметров. Слои обоих соединенных материалов можно отобразить с помощью графика Layer Cross Section Preview, доступного в узле Continuity.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Layered Material Slice и композитным цилиндром графическом окне.

График сечения многослойного материала

График Layered Material Slice обеспечивает большую гибкость при построении секущих для многослойных композитов. Этот график может быть полезен при построении секущей для одного или нескольких слоёв материала, при построении секущей для нескольких или всех слоёв, но при этом секущие необязательно должны располагаться в поперечном направлении. Также может использоваться при детальном анализе отдельного слоя и создании секущей в определенной точке в пределах слоя, не лежащей в средней плоскости.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Layered Linear Elastic Material и моделью ветряной турбины в графическом окне.

Моделирование в приближении эквивалентного слоя/Интерфейс Shell

Возможности интерфейса Shell расширяются с помощью модели материала Layered Linear Elastic Material, которая вычисляет свойства гомогенизированного материала всего композита и решает только для срединной плоскости. Результаты моделирования содержат трёхмерные распределения напряжений и деформаций, что даёт возможность анализировать распределение напряжений внутри каждого слоя.

Крупный план выделенного узла Layered Material и модель многослойной оболочки в графическом окне.

График предварительного просмотра слоёв

Для цели визуализации исходных данных о структуре композитной оболочки доступно два типа графиков: Layer Stack Preview и Layer Cross Section Preview. График типа Layer Stack Preview показывается число слоев и принципиальную ориентацию волокон в каждом из них. График типа Layer Cross Section Preview показывает толщину каждого слоя, а также положение референсной плоскости.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Layered Material и многослойный композит в графическом окне.

Набор данных Layered Material

Набор данных Layered Material используется для отображения результатов моделирования в геометрии с конечной толщиной. С этим набором данных можно увеличивать или уменьшать толщину композита в направлении нормали, сто полезно при визуализации тонкого композитного материала. Это также позволяет масштабировать геометрию в направлении толщины для лучшей визуализации в виде тонких композитов.

Крупный план дерева модели с выделенным узлом Through Thickness и одномерный график в графическом окне.

График по толщине слоя

График Through Thickness позволяет отобразить изменение любой рассчитанной величины по толщине слоя в любой точке границы. Можно выбрать одну или несколько точек в геометрической модели на границе или создать специальный набор данных Cut Point. Кроме того, можно в явном виде задать координаты точки. В отличие от других графиков, здесь координата по толщине слоя отсчитывается по оси y, а по оси x отсчитывается рассчитанная величина, для которой строится график.

"

Мультифизические связи для расширенного анализа

Существует два принципиально различных типа взаимодействия между механикой композита и другими процессами. Для физических процессов, которые протекают внутри слоя, можно одновременно учитывать все физические явления и связи между ними. Для других физических процессов слой рассматривается как граница трёхмерной области, в которой происходят явления. Доступны следующие встроенные мультифизические связи:

  • Теплопередача1
  • Электрические токи2
  • Пьезоэффект2
  • Пороупругость3
  • Взаимодействие акустических волн и композитного материала4
  • Взаимодействие жидкости и композитного материала5
Крупный план напряжений в композите из шести слоёв.

Теплопередача и электрические токи

Моделируйте Джоулев нагрев и термическое расширение внутри композитного слоя с помощью технологии слоистого материала.

Крупный план модели многослойной оболочки, демонстрирующий пьезоэлектрические и металлические слои.

Пьезоэффект

Встраивайте пьезоэлектрический материал в многослойный композит для моделирования тонких пьезоэлектрических устройств и датчиков.

Модель драйвера сжатия, демонстрирующая давление.

Взаимодействие акустических волн и композитного материала

Моделируйте виброакустические эффекты, связывая многослойные композиты с областями, в которых рассчитываются акустические поля.

Крупный план прямоугольной модели, демонстрирующей величину скорости.

Взаимодействие жидкости и композитного материала

Комбинируйте многослойные линейные упругие материалы для моделирования многослойных композитов, взаимодействующих с жидкими средами.

  1. ​Дополнительно требуется модуль «Теплопередача»
  2. Дополнительно требуется модуль AC/DC или модуль MEMS
  3. Дополнительно требуется модуль «Течения в пористых средах»
  4. Дополнительно требуется модуль «Акустика»
  5. Для турбулентных течений дополнительно требуется модуль «Вычислительная гидродинамика»

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе

Все продукты